(57)【要約】【課題】可動電極と絶縁基板との固着を抑制することを課題とする。【解決手段】外部から与えられた力に応じて可動する可動電極５と、可動電極５を弾性的に可動支持するビーム部４とが、絶縁層２０，２１間に配置されてなる静電容量式センサにおいて、絶縁層２１の可動電極５に対向する側に凹部２２を設け、ビーム部４と絶縁層２１との間の厚さ方向の距離をｄ１とし、可動電極５と絶縁層２１との間の厚さ方向の距離をｄ２とすると、ｄ１＜ｄ２となるように凹部２２を形成したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から与えられた力に応じて可動する可動電極と、前記可動電極を弾性的に可動支持するビーム部とが、絶縁基板間に配置されてなる静電容量式センサにおいて、
少なくとも前記いずれか一方の絶縁基板の前記可動電極に対向する側に凹部を設け、前記ビーム部と前記凹部が設けられた前記絶縁基板との間の厚さ方向の距離をｄ１とし、前記可動電極と前記凹部が設けられた前記絶縁基板との間の厚さ方向の距離をｄ２とすると、ｄ１＜ｄ２となるように前記凹部を形成した
ことを特徴とする静電容量式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定電極と可動電極との間の静電容量を検出することにより所定の物理量を検出する静電容量式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、弾性を有するアームがシリコン基板と平行に支持台に支持され、このアームの先端付近には可動電極が基板と平行に支持され、またこのアームの先端には平板状の重り部が設けられ、重り部がＸ軸方向ならびにその厚さ方向に揺動自在に変位できるように基板の表面に窪みが形成されている半導体加速度センサの技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１６７８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の静電容量式の加速度センサでは、加速度が加わると慣性力によりアームが弾性変形し、これにともなって重り部ならびに可動電極が基板側に変位する。このように重り部が基板側に大きく変位すると、重り部が基板に強く押しつけられて、重り部が基板に固着するおそれがあった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可動電極と絶縁基板との固着を抑制した静電容量式センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る静電容量式センサは、外部から与えられた力に応じて可動する可動電極と、可動電極を弾性的に可動支持するビーム部とが、絶縁基板間に配置されてなる静電容量式センサにおいて、少なくともいずれか一方の絶縁基板の可動電極に対向する側に凹部を設け、ビーム部と凹部が設けられた絶縁基板との間の厚さ方向の距離をｄ１とし、可動電極と凹部が設けられた絶縁基板との間の厚さ方向の距離をｄ２とすると、ｄ１＜ｄ２となるように凹部を形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る特徴の静電容量式センサでは、ビーム部と絶縁層間の距離よりも可動電極と絶縁層間の距離を大きくする凹部を絶縁層に設けたので、可動電極が絶縁基板に接触した際のビーム部のばね反力を従来に比べて増大させることが可能となり、可動電極と絶縁基板との固着を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１に係る静電容量式センサの構成を示す平面図である。
【図２】図１に示す静電容量式センサの断面構成を示す断面図である。
【図３】図１に示すセンサの可動電極周辺を模式的に拡大した図である。
【図４】ビーム部のばね反力と可動電極の変位との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係る静電容量式センサの可動電極周辺を模式的に拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明を実施するための実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１、図２を用いて、本発明の実施の形態として示す半導体センサである静電容量式センサ１の構成について説明する。実施の形態として示す静電容量式センサ１は、互いに垂直な２軸方向の加速度を検出することができる。
【００１１】
図１は、静電容量式センサの半導体層２を示した平面図である。図１に示すように、半導体層２は、半導体基板に公知の半導体プロセスにより間隙１０を形成することで、フレーム部３、ビーム部４、可動電極５、固定電極６、ストッパ部７が形成されている。
【００１２】
図２は、図１のＩ−Ｉ線で半導体層２を切断するように静電容量式センサ１を切断した様子を示した断面図である。図２に示すように、静電容量式センサ１は、この半導体層２の表裏両面にガラス基板（絶縁基板）などの絶縁層２０，２１を、例えば陽極接合などをして接合することで形成される。半導体層２と絶縁層２１とが対向する対向面には、後述する凹部２２が形成されており、半導体層２各部の絶縁性や可動電極５の動作性の確保が図られている。図１に示すように、半導体層２が略正方形状となるように静電容量式センサ１は、切り出されることになる。
【００１３】
フレーム部３は、間隙１０を介してビーム部４外側に枠状に形成されている。フレーム部３には、内側の隅から、それぞれ当該フレーム部３の各辺と平行に、かつ中途で直角に折れ曲がりながら中心に向けて渦巻き状に伸びるビーム部４が設けられている。図１に示すようにビーム部４は、間隙１０を介して略枠状となるフレーム部３の二辺分に亘って、それぞれ相互干渉することなく延設されるとともに、内側端部では可動電極５の隅部に接続されており、フレーム部３に対して可動電極５を弾性的に可動支持するバネ要素（渦巻きバネ）として機能する。
【００１４】
これにより、静電容量式センサ１では、可動電極５に対し、バネ要素としてのビーム部４、ビーム部４に接続されたフレーム部３により支持される質量要素（マス）としての機能を与え、これらバネ要素と質量要素とによってバネ−マス系を構成している。
【００１５】
このような静電容量式センサ１は、質量要素としての可動電極５の位置変位による可動電極５、固定電極６間の静電容量の変化を検出する。そして、静電容量式センサ１は、検出された静電容量の変化をＣ−Ｖ変換することで得られる電圧波形から当該静電容量式センサ１に加えられた加速度を検出することができる。
【００１６】
具体的には、この静電容量の変化は、可動電極５、固定電極６にそれぞれ形成された櫛歯状の複数の検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａからなる検出部８Ａ乃至８Ｄ（以下、総称する場合は、単に検出部８と呼ぶ。）によって検出される。
【００１７】
図１に示すＸ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＸ軸方向に変位し、検出部８Ａの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量と、検出部８Ｂの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量に差が生じる。
【００１８】
この静電容量の差からＸ軸方向の加速度を検出することができる。
【００１９】
一方、図１に示すＹ軸方向に加速度が与えられると、可動電極５がＹ軸方向に変位し、検出部８Ｃの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量と、検出部８Ｄの検出可動電極５ａ、検出固定電極６ａで検出される静電容量に差が生じる。この静電容量の差からＹ軸方向の加速度を検出することができる。
【００２０】
図１に示す固定電極６の隅部６ｂの位置Ａ乃至位置Ｄ上には、図２に示すような絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔２４を介し、隅部６ｂの表面６ｃ、貫通孔２４の内周面２４ａ、絶縁層２０の表面２０ａに固定電極６の電位を取り出すための電極部２３が金属薄膜にて形成されている。また、この貫通孔２４を絶縁層２１に設け、同じように電極部２３を形成して、半導体層２の裏面より固定電極６の電位を取り出すようにしてもよい。一方、可動電極５の電位は、当該可動電極５をビーム部４を介して支持するフレーム部３から取り出すようにする。
【００２１】
図１に示すフレーム部３の位置Ｅ、位置Ｆ上には、図示しないが、上述した固定電極６の隅部６ｂの位置Ａ乃至位置Ｄ上と同様に、絶縁層２０をサンドブラスト加工等によって貫通させた貫通孔を介し、可動電極５の電位を取り出すための電極部が金属薄膜にて形成されている。また、この貫通孔を絶縁層２１に設け、同じように電極部を形成して、半導体層２の裏面より可動電極５の電位を取り出すようにしてもよい。
【００２２】
図３は図２に示す凹部２２の周辺を模式的に拡大した図であり、同図（ａ）は可動電極５が絶縁層２１側に変位する前の状態を示し、同図（ｂ）は可動電極５が絶縁層２１側に変位した後の状態を示している。
【００２３】
図３（ａ）において、既述したように可動電極５と対向する絶縁層２１に凹部２２を形成することで、絶縁層２１には半導体層２に対向する側の面に段差が設けられている。すなわち、図３（ａ）に示すように、ビーム部４の絶縁層２１側の端面と、ビーム部４のこの端面に対向する絶縁層２１の表面との距離をｄ１とし、可動電極５の絶縁層２１側の表面と、可動電極５のこの表面に対向する絶縁層２１の表面との距離をｄ２とすると、従来で採用された技術ではｄ１＝ｄ２であったのに対して、この発明で採用した特徴的な技術では、ｄ１＜ｄ２となるように凹部２２を形成している。
【００２４】
このような構成において、図３（ｂ）に示すようにビーム部４ならびに可動電極５が絶縁層２１側（図２、図３において下方）に変位するような力が静電容量式センサ１に加わった状態では、上述したようにｄ１＜ｄ２としているので、先ずビーム部４が絶縁層２１に接触する。
【００２５】
ビーム部４は、既述したように可動電極５に対してバネ要素として機能するので、このときのビーム部４のバネ反力は、図４に示すように、さほど大きな反力とはならない。
【００２６】
さらに続いて、可動電極５が下方に変位して絶縁層２１に接触すると、この接触するまでの間にビーム部４に力が加わり続けるので、ビーム部４のばね反力は図４に示すように徐々に増加し続ける。そして、可動電極５が絶縁層２１に接触したときには、ビーム部４のばね反力は、図４に示すようにビーム部４が絶縁層２１に接触したときと比べて格段に大きくなっている。
【００２７】
このように、可動電極５が絶縁層２１に接触する程度に可動電極５が変位するような場合には、ビーム部４において従来に比べて格段に大きなばね反力を得ることが可能となる。したがって、例えば陽極接合時に可動電極５が絶縁層２１に接触し、さらには押しつけられた場合であっても、静電容量式センサ１に加えられていた力が除かれたときには、このような大きなばね反力により可動電極５は絶縁層２０側（図２、図３において上方）に戻り、可動電極５と絶縁層２１との固着を抑制することが可能となる。
【００２８】
なお、ｄ１とｄ２との差、すなわち段差の寸法は、可動電極５が絶縁層２１に接触、もしくは押しつけられたときに可動電極５を復元できる程度に十分なばね反力が得られるように設定され、これらは実験等により予め取得しておく。
【実施例２】
【００２９】
図５は本発明の実施例２にかかる静電容量センサの構成を示し、可動電極５のの周辺を模式的に拡大した図であり、同図（ａ）は可動電極５が絶縁層２０側に変位する前の状態を示し、同図（ｂ）は可動電極５が絶縁層２０側に変位した後の状態を示している。
【００３０】
この実施例２の特徴とするところは、可動電極５と対向する絶縁層２０に凹部２５を形成することで、絶縁層２０には半導体層２に対向する側の面に段差を設けたことにある。すなわち、図５（ａ）に示すように、絶縁層２０に対向するビーム部４の端面と、ビーム部４のこの端面に対向する絶縁層２０の表面との距離をｄ３とし、絶縁層２０に対向する可動電極５の表面と、可動電極５のこの表面に対向する絶縁層２１の表面との距離をｄ４とすると、従来で採用された技術ではｄ３＝ｄ４であったのに対して、この発明で採用した特徴的な技術では、ｄ３＜ｄ４となるように凹部２５を形成している。
【００３１】
このような構成において、図５（ｂ）に示すようにビーム部４ならびに可動電極５が絶縁層２０側（図２、図５において上方）に変位するような力が静電容量式センサ１に加わった状態では、上述したようにｄ３＜ｄ４としているので、先ずビーム部４が絶縁層２０に接触する。
【００３２】
ビーム部４は、既述したように可動電極５に対してバネ要素として機能するので、このときのビーム部４のバネ反力は、図４に示すように、さほど大きな反力とはならない。
【００３３】
さらに続いて、可動電極５が上方に変位して絶縁層２０に接触すると、この接触するまでの間にビーム部４に力が加わり続けるので、ビーム部４のばね反力は図４に示すように徐々に増加し続ける。そして、可動電極５が絶縁層２０に接触したときには、ビーム部４のばね反力は、図４に示すようにビーム部４が絶縁層２０に接触したときと比べて格段に大きくなっている。
【００３４】
このように、可動電極５が絶縁層２０に接触する程度に可動電極５が変位するような場合には、ビーム部４において従来に比べて格段に大きなばね反力を得ることが可能となる。したがって、例えば陽極接合時に可動電極５が絶縁層２０に接触し、さらには押しつけられた場合であっても、静電容量式センサ１に加えられていた力が除かれたときには、このような大きなばね反力により可動電極５は絶縁層２１側（図２、図５において下方）に戻り、可動電極５と絶縁層２０との固着を抑制することが可能となる。
【００３５】
なお、ｄ３とｄ４との差、すなわち段差の寸法は、可動電極５が絶縁層２１に接触、もしくは押しつけられたときに可動電極５を復元できる程度に十分なばね反力が得られるように設定され、これらは実験等により予め取得しておく。
【００３６】
なお、本発明は、上記各実施例１、２を併用して実施するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１…静電容量式センサ
２…半導体層
４…ビーム部
５…可動電極
６…固定電極
２０，２１…絶縁層
２２，２５…凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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